Java——多线程使用详解

2023-11-13

`多线程：`

多线程就是同时执行多个应用程序，需要硬件的支持

同时执行：不是某个时间段同时，cpu切换的比较快，所有用户会感觉是在同时运行

`并发与并行：`

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。并行必须借助于多核cpu实现
并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，通过cpu时间片轮转使多个进程快速交替的执行。

`程序、线程、进程：`

程序：是指编译好的可执行文件，程序启动的时候，进程作为支撑
进程：是正在运行的程序(比如360杀毒软件)，进程可以产生多线程

独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位
动态性：进程的实质是程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的
并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
进程基本的状态有5种：分别为初始态、就绪态、运行态、挂起态、终止态其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

线程：是程序正在做的事情，线程是进程的单个控制流（比如360的杀毒，扫描木马）

单线程：一个进程如果只有一条执行路径，则称为单线程程序
多线程：一个进程如果有多条执行路径，则称为多线程程序

进程与线程的区别：

进程：有独立的内存空间，进程中的数据存放空间（堆空间和栈空间）是独立的，至少有一个线程。

线程：堆空间是共享的，栈空间是独立的，线程消耗的资源比进程小的多。

多线程同时执行原理:

比如我们同时运行qq和微信，其实不是同时运行的而是CPU在多个线程间快速切换,造成"同时"执行的假象

多线程的好处:

可以"同时"执行多个任务

可以提高资源的利用率(CPU/网络)

线程越多越好吗:

1.创建和销毁线程需要消耗CPU和内存资源
2.线程太多,CPU需要在大量的线程间切换,造成资源的浪费

进程与并发：
在使用进程实现并发时会出现以下问题：

系统开销比较大，占用资源比较多，开启进程数量比较少。
在unix/linux系统下，还会产生孤儿进程和僵尸进程。正常情况下，子进程是通过父进程fork创建的，子进程再创建新的进程。并且父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束。当一个进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用系统调用取得子进程的终止状态。

孤儿进程：

父进程比子进程先结束，子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程。

僵尸进程：

僵尸进程: 进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程。

Windows&Linux进程：

Windows下的进程和Linux下的进程是不一样的，它比较懒惰，从来不执行任何东西，只是为线程提供执行环境。然后由线程负责执行包含在进程的地址空间中的代码。当创建一个进程的时候，操作系统会自动创建这个进程的第一个线程，成为主线程。

`创建线程：`

实现多线程有三种方法：

继承Thread类

实现Runnable接口

实现Callable接口

开启线程

方法名	说明
void run()	在线程开启后，此方法将被调用执行
void start()	使此线程开始执行，Java虚拟机会调用run方法()

为什么要重写run()方法？

因为run()是用来封装被线程执行的代码

run()方法和start()方法的区别？

run()：封装线程执行的代码，直接调用，相当于普通方法的调用，并没有开启线程

start()：启动线程；然后由JVM调用此线程的run()方法

`继承Thread：`

实现步骤：

定义一个类MyThread继承Thread类

在MyThread类中重写run()方法

创建MyThread类的对象

启动线程

多线程类：

public class ThreadDemo extends Thread {
    // run是用来封装被线程执行的代码的，一定要重写
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("线程启动" + i);
        }
    }
}

测试类：

public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        ThreadDemo thread1 = new ThreadDemo();
        ThreadDemo thread2 = new ThreadDemo();
        // 开启线程
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

`实现Runnable：`

实现步骤：

定义一个类MyRunnable实现Runnable接口

在MyRunnable类中重写run()方法

创建MyRunnable类的对象

创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数

启动线程

对象类：

public class RunnableDemo implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("线程启动" + i);
        }
    }
}

测试类：

public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建参数对象
        RunnableDemo r1 = new RunnableDemo();
        RunnableDemo r2 = new RunnableDemo();
        // 创建线程
        Thread thread1 = new Thread(r1);
        Thread thread2 = new Thread(r2);
        // 开启线程
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

`实现Callable接口：`

实现步骤：

定义一个类MyCallable实现Callable接口

在MyCallable类中重写call()方法

创建MyCallable类的对象

创建Future的实现类FutureTask对象，把MyCallable对象作为构造方法的参数

创建Thread类的对象，把FutureTask对象作为构造方法的参数

启动线程

再调用get方法，就可以获取线程结束之后的结果。

构造方法：

方法名	说明
Thread(Runnable target)	分配一个新的Thread对象
Thread(Runnable target, String name)	分配一个新的Thread对象

对象类：

public class CallDemo implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("线程执行" + i);
        }
        // 返回值表示运行完以后的结果
        return "执行完毕";
    }
}

测试类：

public class TestCall {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建对象，线程要执行的代码
        CallDemo call = new CallDemo();
        // 获取线程执行完毕的结果，可以作为参数传给Thread
        FutureTask<String> sft = new FutureTask<>(call);
        Thread thread = new Thread(sft);
        thread.start();
        // get：获取线程运行后的结果，如果在线程没开启前就获取get方法会一直等待，所以get方法要写在start后面
        System.out.println(sft.get());  
    }
}

`三种实现方式对比：`

实现Runnable、Callable接口

好处: 扩展性强，实现该接口的同时还可以继承其他的类
缺点: 编程相对复杂，不能直接使用Thread类中的方法

继承Thread类

好处: 编程比较简单，可以直接使用Thread类中的方法
缺点: 可以扩展性较差，不能再继承其他的类

`获取与设置线程名称：`

方法名	说明
void setName(String name)	将此线程的名称更改为等于参数name
String getName()	返回此线程的名称
Thread currentThread()	返回对当前正在执行的线程对象的引用

对象类：

public class ThreadDemo extends Thread {
 // 要写构造，否则不能传线程名称
    public ThreadDemo() {
    }

    public ThreadDemo(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName() + i);
            // 获取当前线程对象
        }
        // 线程没有设置名字的话，返回的是默认的名字，每个线程都是有默认名字的
            System.out.println("当前执行的线程是：" + Thread.currentThread().getName());
    }
}

测试类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo t1 = new ThreadDemo();
        t1.start();
        t1.setName("线程一");

        // 通过构造设置，对象要创建有参构造
        ThreadDemo t2 = new ThreadDemo("线程二：");
        t2.start();

        // 如果是通过接口创建线程那么是不能用getname的，所以currentThread就可以代替了
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

`线程睡眠：`

方法名	说明
static void sleep(long millis)	使当前正在执行的线程停留（暂停执行）指定的毫秒数

对象类：

public class DemoRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + i);
        }
    }
}

测试类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        DemoRunnable dr = new DemoRunnable();
        Thread thread = new Thread(dr);
        thread.start();
    }
}

`线程优先级：`

分时调度：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU的时间

抢占式调度：优先让优先级高的线程使用CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些

Java使用的是抢占式调度模型，线程优先级高只是枪战CPU的几率更大，不代表一定优先执行

方法名	说明
final int getPriority()	返回此线程的优先级
final void setPriority(int newPriority)	更改此线程的优先级线程默认优先级是5；线程优先级的范围是：1-10

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        DemoRunnable dr = new DemoRunnable();
        Thread thread = new Thread(dr);
        thread.start();

        // final int getPriority()	返回此线程的优先级
        System.out.println(thread.getPriority());

        // final void setPriority(int newPriority)	更改此线程的优先级线程默认优先级是5；线程优先级的范围是：1-10
        thread.setPriority(10);
        System.out.println(thread.getPriority());
    }
}

`守护线程：`

方法名	说明
void setDaemon(boolean on)	将此线程标记为守护线程，当运行的线程都是守护线程时，Java虚拟机将退出

线程一：

public class Thread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + " ：" + i);
        }
    }
}

线程二：

public class Thread2 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName() + " ：" + i);
        }
    }
}

测试类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程
        Thread1 t1 = new Thread1();
        Thread2 t2 = new Thread2();

        // 设置线程名字
        t1.setName("我女朋友");
        t2.setName("我");

        // 设置我女朋友为守护线程，我要挂了我女朋友也不能继续活，这就是家庭地位
        // 因为此时守护线程还有执行权，cpu执行很快，所以守护线程不是马上停止的，要把执行权走完
        t1.setDaemon(true);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

`线程安全：`

卖票案例分析线程安全：

重复票：定义三个线程去卖100张票，三个线程sleep后，第一个线程醒来拿到CPU执行权，此时将票减1，为99，刚减完线程二醒了。线程二拿到CPU执行权，此时将票减1，这时候是从99减1，为98，那这时候线程一也要变成98，因为执行的是同一个线程对象。刚减完线程三醒了。线程二拿到CPU执行权，此时将票减1，这时候是从98减1，为97…这时候就会出现重复票数
负数票：此时票数为1，线程1、2、3开始sleep，线程1醒来后，拿到CPU执行权，做减1操作，此时票数为0，线程1被销毁。线程2醒过来，然后拿到CPU执行权，做减1操作，此时票数为-1，线程2被销毁。线程3醒过来拿到CPU执行权，做减1操作，此时票数为-2，线程3被销毁。所以就会出现负数票问题

安全问题出现的条件

是多线程环境

有共享数据

有多条语句操作共享数据

如何解决多线程安全问题呢?

把多条语句操作共享数据的代码给锁起来，让任意时刻只能有一个线程执行，Java提供了同步代码块的方式来解决，
例：两个人同时上厕所，但是就一个马桶，于是用户A进入后，用户B只能在外面等，只有用户A出来，用户B才能进去。

`同步代码块：`

    synchronized(任意对象){  多条语句操作共享数据的代码  }
    // synchronized(任意对象)：默认情况是打开的，只要有一个线程进去执行代码，锁就会关闭，当线程执行完出来，锁才会自动打开

同步代码块的好处和弊端：

好处：解决了多线程的数据安全问题
弊端：当线程很多时，每个线程都会去判断同步上的锁，很耗费资源，会降低程序的运行效率

对象类：

public class SellTicket implements Runnable {
    // 定义总票数
    private static int tickets = 100;
    // 创建一个任意的对象
    private final Object object = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (object) {
                if (tickets > 0) {

                    try {
                        // 进来先睡一会
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

测试类：

public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建对象
        SellTicket st = new SellTicket();
        // 创建线程并设置名字，多线程同一个对象
        Thread t1 = new Thread(st, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口二");
        // 启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

`同步方法：`

同步方法：锁对象是：this

修饰符  synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) {方法体;}

对象类：

public class SellTicket2 implements Runnable {
    // 定义总票数
    private static int tickets = 100;
    // 创建一个任意的对象
    private final Object object = new Object();

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            // 同步方法
            // 判断当前线程，是就调用方法，然后判断票数是不是0，不是就继续循环
            if ("窗口一".equals(Thread.currentThread().getName())) {
                boolean result = synchronizedMethod();
                if (result) {
                    break;
                }
            }
            // 同步代码块
            if ("窗口二".equals(Thread.currentThread().getName())) {
                // 因为同步方法的锁是this，所以代码块也要是this才能都用一把锁
                synchronized (this) {
                    if (tickets > 0) {
                        try {
                            // 进来先睡一会
                            Thread.sleep(50);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                        tickets--;
                    } else {
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }

    private synchronized boolean synchronizedMethod() {
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
            // 不是最后一张就继续循环
            return false;
        } else {
            // 最后一张就返回true，停止
            return true;
        }
    }
}

测试类：

public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket2 st = new SellTicket2();
        Thread t1 = new Thread(st, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口二");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

静态同步方法：锁对象是：类名.class

修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) {方法体;}

静态方法在方法前加static，this换成类名.class就行了

`Lock锁：`

为了更清晰的表达如何加锁和释放锁，JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock
Lock是接口不能直接实例化，可以用它的实现类ReentrantLock来实例化

ReentrantLock构造方法

方法名	说明
ReentrantLock()	创建一个ReentrantLock的实例

加锁解锁方法

方法名	说明
void lock()	获得锁
void unlock()	释放锁

对象类：

public class Ticket implements Runnable {

    // 票的数量
    private int ticket = 100;

    // 创建Lock锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override

    public void run() {
        while (true) {
            try {
                // 获得锁
                lock.lock();
                if (ticket == 0) {
                    // 卖完了
                    break;
                } else {
                    Thread.sleep(30);
                    ticket--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票，还剩下" + ticket + "张票");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

测试类：

    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread t1 = new Thread(ticket, "线程一");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "线程二");

        // 设置优先级
        t1.setPriority(10);
        t2.setPriority(5);

        t1.start();
        t2.start();
    }

`死锁：`

线程死锁是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行

死锁产生的条件：

1.有多个线程
2.有多把锁
3.有同步代码块嵌套

解决办法：

干掉其中某个条件

public class Demo05 {
	public static void main(String[] args) {
	MyRunnable mr = new MyRunnable();
	new Thread(mr).start();
	new Thread(mr).start();
	}
}


class MyRunnable implements Runnable {
    Object objA = new Object();
    Object objB = new Object();

    /*
    嵌套1 objA
    嵌套1 objB
    嵌套2 objB
    嵌套1 objA
    */
    @Override
    public void run() {
        synchronized (objA) {
            System.out.println("嵌套1 objA");
            synchronized (objB) {// t2, objA, 拿不到B锁,等待
                System.out.println("嵌套1 objB");
            }
        }
        synchronized (objB) {
            System.out.println("嵌套2 objB");
            synchronized (objA) {// t1 , objB, 拿不到A锁,等待
                System.out.println("嵌套2 objA");
            }
        }
    }
}

`生产者&消费者：`

生产和消费主要是包含了两类线程：

生产和消费也称为等待唤醒机制
生产者线程用于生产数据
消费者线程用于消费数据

实现：

为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像是一个仓库
生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中，并不需要关心消费者的行为
消费者只需要从共享数据区中去获取数据，并不需要关心生产者的行为

Object类的等待和唤醒方法

方法名	说明
void wait()	导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify()方法或 notifyAll()方法
void notify()	唤醒正在等待对象监视器的单个线程
void notifyAll()	唤醒正在等待对象监视器的所有线程

对象类：

public class Desk {
    // 定义一个标记判断食物的状态，为false表示没有食物，true代表有食物
    private boolean flag;

    // 食物的个数
    private int count;

    // 锁对象
    private final Object lock = new Object();


    public Desk() {
    }

    public Desk(boolean flag, int count) {
        this.flag = flag;
        this.count = count;
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount(int count) {
        this.count = count;
    }

    public Object getLock() {
        return lock;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Desk{" +
                "flag=" + flag +
                ", count=" + count +
                ", lock=" + lock +
                '}';
    }
}

生产者：

public class Cooker extends Thread {
    private Desk desk;

    public Cooker(Desk desk) {
        this.desk = desk;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (desk.getLock()) {
                if (desk.getCount() == 0) {
                    break;
                } else if (!desk.isFlag()) {
                    System.out.println("生产者正在生产食物");
                    // 有食物就改状态让消费者去消费
                    desk.setFlag(true);
                    desk.getLock().notifyAll();
                } else {
                    // 没有食物就线程等待唤醒
                    try {
                        desk.getLock().wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

消费者：

public class Foodie extends Thread {

    private Desk desk;

    public Foodie(Desk desk) {
        this.desk = desk;
    }


    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            synchronized (desk.getLock()) {
                if (desk.getCount() == 0) {
                    break;
                    // 布尔类型变量的getset是is开头的
                } else if (desk.isFlag()) {
                    System.out.println("消费者消费了一个食物");
                    // 消费完毕，将标记设为false，当为false时可以让生产者去生产
                    desk.setFlag(false);
                    // 唤醒等待中的所有线程
                    desk.getLock().notifyAll();
                    // 消费一个减少一个
                    desk.setCount(desk.getCount() - 1);
                } else {
                    try {
                        // 线程等待唤醒
                        desk.getLock().wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

测试类：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {

        Desk desk = new Desk(false, 10);

        Foodie foodie = new Foodie(desk);
        Cooker cooker = new Cooker(desk);

        foodie.start();
        cooker.start();
    }
}

`阻塞队列：`

在这里插入图片描述

常见BlockingQueue:

ArrayBlockingQueue：底层是数组,有界
LinkedBlockingQueue：底层是链表,无界.但不是真正的无界,最大为int的最大值

BlockingQueue的核心方法:

方法名	说明
put(anObject):	将参数放入队列,如果放不进去会阻塞
take()	取出第一个数据,取不到会阻塞

阻塞队列等待&唤醒：

阻塞队列底层是有自动加锁的，但是运行起来，可能打印出的是存两个打印两个，这个是控制台打印的问题。

生产者者线程

public class Cooker extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<String> bd;

    public Cooker(ArrayBlockingQueue<String> bd) {
        this.bd = bd;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                bd.put("汉堡包");
                System.out.println("厨师放入一个汉堡包");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

消费者线程

    private ArrayBlockingQueue<String> bd;

    public Foodie(ArrayBlockingQueue<String> bd) {
        this.bd = bd;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                String take = bd.take();
                System.out.println("吃货将" + take + "拿出来吃了");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

测试类：

  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
      	  // 创建阻塞队列对象，容量为1
          ArrayBlockingQueue<String> bd = new ArrayBlockingQueue<>(1);

          Foodie f = new Foodie(bd);
          Cooker c = new Cooker(bd);

          f.start();
          c.start();
      }
  }

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